Materiali a basso attrito per cuscinetti
L’attrito in un cuscinetto a strisciamento dipende dalla coppia di superfici e da ciò che sta in mezzo. Pochi materiali hanno di per sé un basso attrito contro l’acciaio – PTFE, grafite e MoS₂ prima di tutti – e progettare un cuscinetto è in gran parte l’arte di mettere uno di loro all’interfaccia mentre qualcosa di più resistente porta il carico.
I solidi con l’attrito più basso contro l’acciaio sono il PTFE (μ ≈ 0,04–0,10 a secco), la grafite e l’MoS₂ (≈ 0,05–0,15), seguiti da POM e UHMWPE (≈ 0,15–0,30) e dal nylon (≈ 0,20–0,40). Il bronzo su acciaio vale ≈ 0,10–0,20 lubrificato. Nessuno dei solidi a basso attrito è abbastanza resistente da portare da solo carichi elevati, quindi le boccole li abbinano a una struttura in bronzo o in acciaio: strati di PTFE e POM su acciaio, inserti di grafite nel bronzo, olio nel bronzo sinterizzato.
- Il coefficiente d’attrito è una proprietà della coppia e delle condizioni (carico, velocità, temperatura, lubrificante), non di un singolo materiale
- Boccole composite in PTFE: μ 0,02–0,20 a secco; composito in POM 0,05–0,25 ingrassato; bronzo bimetallico 0,04–0,15 lubrificato; bronzo fuso 0,08–0,15 ingrassato
- Basso attrito e bassa usura sono proprietà diverse: il PTFE ha l’attrito più basso ma, senza cariche, si usura in fretta, ed è per questo che si usa come strato sottile caricato
- Il film di lubrificante batte qualsiasi solido: un film d’olio completo dà μ ≈ 0,001–0,01, ed è per questo che i cuscinetti veloci sono alimentati a olio
Materiali a confronto
Intervalli rappresentativi contro l’acciaio, dalla letteratura tribologica e dalle schede tecniche delle boccole di questo sito; i valori reali dipendono da carico, velocità, temperatura, finitura superficiale e contaminazione.
| Materiale | μ a secco su acciaio | μ lubrificato | Resistenza all’usura | Capacità di carico | Temperatura | Impiego nelle boccole |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PTFE (caricato) | 0,04–0,10 | 0,02–0,05 | Bassa senza cariche, buona caricato | Bassa da solo | da −200 a +260 °C | Strato di scorrimento delle boccole composite in PTFE |
| Grafite | 0,05–0,15 | — | Buona | Bassa da sola | Fino a 400 °C in aria | Inserti delle boccole in bronzo-grafite |
| MoS₂ | 0,05–0,10 | — | Buona | Bassa da solo | Fino a 350 °C in aria | Additivo negli strati in PTFE e negli inserti |
| POM (resina acetalica) | 0,15–0,30 | 0,05–0,10 | Buona | Moderata | Fino a 100–130 °C | Strato di scorrimento delle boccole composite in POM; boccole massicce |
| UHMWPE | 0,10–0,20 | 0,05–0,10 | Molto buona (abrasione) | Bassa | Fino a 80 °C | Boccole in plastica massiccia e rivestimenti |
| Nylon (PA) | 0,20–0,40 | 0,05–0,15 | Buona | Moderata | Fino a 100 °C | Boccole in plastica massiccia |
| Bronzo (C93200) | 0,25–0,35 | 0,08–0,15 | Buona | Alta | Fino a 250 °C | Boccole in bronzo fuso, avvolto e sinterizzato |
| Bronzo sinterizzato + olio | — | 0,05–0,15 | Buona | Bassa–moderata | Fino a 90 °C | Boccole impregnate d’olio |
| Bimetallo CuPb10Sn10 | — | 0,04–0,15 | Molto buona | Molto alta | Fino a 250 °C in olio | Boccole bimetalliche |
| Acciaio temprato | 0,5–0,8 (grippa) | 0,10–0,15 | Eccellente | Molto alta | Fino a 350 °C | Boccole in acciaio temprato, ingrassate |
Perché il materiale a basso attrito è sempre uno strato
Il PTFE scorre viscosamente (creep) già sotto pochi N/mm², la grafite è fragile, il POM si dilata e rammollisce con il calore. Usati da soli fanno boccole mediocri. Legato come strato sottile a un supporto in acciaio tramite bronzo poroso, il PTFE porta 250 N/mm² statici perché il percorso del carico attraverso lo strato è lungo solo pochi centesimi di millimetro; inserita nel bronzo fuso, la grafite lubrifica una boccola che porta 50–100 N/mm² perché il carico lo porta il bronzo, non la grafite. Il progettista di cuscinetti separa la funzione portante da quella di riduzione dell’attrito e affida ciascuna al materiale che la svolge meglio.
Quando un film di lubrificante batte ogni solido
In velocità, con un’alimentazione d’olio, un cuscinetto a strisciamento forma un film idrodinamico che separa completamente le superfici; l’attrito scende a 0,001–0,01 e l’usura si annulla. Per questo i cuscinetti veloci, le bronzine di motori, cambi e pompe, sono alimentati a olio e realizzati in bimetallo o in bronzo anziché in PTFE. Sotto circa 0,5 m/s il film non si forma e il cuscinetto lavora in lubrificazione limite su ciò che si trova all’interfaccia: il grasso e il bronzo stesso, oppure un solido autolubrificante. I solidi a basso attrito contano nel regime lento, a secco, caldo e senza manutenzione, che è dove vive la maggior parte delle boccole.
Scegliere una boccola a basso attrito
Individuate prima il regime, poi il materiale.
- A secco, qualsiasi temperatura, carico moderato. Composito in PTFE: l’attrito più basso disponibile in una boccola, 250 N/mm² statici, da −195 a +280 °C.
- A secco, pesante, lento, caldo. Bronzo con inserti in grafite: 50–100 N/mm², fino a 400 °C, a ≤ 0,5 m/s.
- Ingrassato una volta, PV elevato, carico di bordo. Composito in POM: 22 N/mm²·m/s in olio, strato tenace, fino a 130 °C.
- Alimentato a olio, veloce. Bimetallo: μ 0,04–0,12 su film, 8–15 m/s.
- Leggero, silenzioso, economico, senza corrosione. Boccole massicce in POM, nylon o UHMWPE, oppure bronzo sinterizzato.
Domande frequenti
Qual è il materiale con il coefficiente d’attrito più basso?
Fra i solidi tecnici, il PTFE: circa 0,04–0,10 a secco contro l’acciaio, meno se caricato e rodato. Grafite e MoS₂ sono vicini. Un film d’olio idrodinamico li batte tutti, con 0,001–0,01.
Perché non fare tutta la boccola in PTFE?
Il PTFE scorre viscosamente sotto carico e conduce male il calore. Come strato sottile su un supporto in acciaio porta 250 N/mm²; come boccola massiccia ne porta una piccola frazione e si deforma a freddo.
Basso attrito significa anche bassa usura?
No. Il PTFE ha l’attrito più basso e, senza cariche, uno dei tassi di usura più alti. I materiali per boccole vengono caricati, stratificati o dotati di inserti proprio per ottenere entrambe le cose.
Qual è l’attrito di una boccola in bronzo?
Circa 0,08–0,15 ingrassata in lubrificazione limite; più basso su un film d’olio in velocità; 0,25–0,35 a secco, che è una condizione di guasto, non un punto di progetto.
Quale boccola ha l’attrito più basso?
Fra i tipi a secco, la boccola composita in PTFE (0,02–0,20 a seconda di carico e velocità); fra quelli lubrificati, una boccola bimetallica alimentata a olio su film completo.
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